CN1513084A

CN1513084A - 带有内装减振器的风力涡轮转子

Info

Publication number: CN1513084A
Application number: CNA028111761A
Authority: CN
Inventors: I��Ǵ��; I·弗赖登达尔
Original assignee: LM Glasfiber AS
Current assignee: LM Wind Power AS
Priority date: 2001-04-11
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2004-07-14
Anticipated expiration: 2022-04-11
Also published as: CN1247890C; DK174437B1; DK200100599A; WO2002084114A1

Abstract

一种带有内装减振器(1)的风力涡轮转子叶片(6)，上述的减振器(1)包括一个大致为U形的盛装有液体(10)的空腔，该U形空腔的底部(5)对着叶片尖部。它的两个分支(2)沿离开叶片尖部的方向逐渐变细。

Description

带有内装减振器的风力涡轮转子

技术领域

本发明涉及一种带有内装减振器的风力涡轮转子叶片，所述的减振器包括一个大致为U形的盛有液体的空腔，该U形空腔的底部面对着叶片尖部。

在风力涡轮工作过程中，转子叶片受到很大的力，并持续地被激振而产生会导致增大负载和可能发生疲劳断裂的自然振动。叶片在工作中沿两个主要振动方向振动，即沿前、后缘方向的振动(在通过叶片的前缘和后缘的平面内的振动)和沿折翼方向的振动(在垂直于叶片的前缘和后缘的平面内的振动)。这两种基本的振动类型不仅十分重要，因为它们本身可造成叶片的断裂，而且它们会转换成并影响到风力涡轮本身的振动模式。

风力涡轮叶片常常受到正的气动减振的影响，但有些类型的叶片却受到负的气动减振的影响，在这种情况下，特别重要的是，提供一种带有减振装置以减小叶片振动的叶片。

背景技术

先前已经推出各种用于减小叶片振动尤其是沿前、后缘方向的振动的减振装置。

WO 95/21327公开了一种用于减缓风力涡轮叶片的振动的装置，它具有一个可移动的配重体、一个弹簧和一个减振器。

WO 99/32789公开了一种风力涡轮叶片，在叶片的外端部安装一组容器以减缓沿叶片前后缘方向的振动，上述的容器内部分地装有一种液体，这种减振器称为液体调谐减振器。

WO 00/06898公开了一种带有内装减振器的风力涡轮转子叶片，其减振器具有一个盛有液体的U形空腔，该空腔的底部安装成对着叶片的尖部。沿叶片前后缘方向发生的振动引起U形空腔内的液体发生摆动，并在U形空腔的分支内向上移动，这样由于液体对空腔内壁的摩擦而消耗了能量，从而使叶片减振。

带有上述减振装置的风力涡轮转子叶片是一种双质量系统，其中，利用液体的质量来减缓叶片的振动，在设计液体系统时，必须考虑许多在实践中如何影响该系统的工作的参数，下面列出其中特别重要的参数：

a)U形空腔的几何形状；

b)液体的物理特性；

c)液体的量；

d)叶片的转动速度；

e)叶片的沿前、后缘方向振动的自然频率；

f)叶片的振幅。

采用合适地设计的系统，可以十分有效地减缓沿叶片前、后缘方向的振动。如果上述参数中的一个或多个发生变化，就不能得到最佳的减振效果。于是发现，上述系统的减振能力强烈地取决于U形空腔内盛有的液体量。

上述减振装置是一种封闭的装置，就是说，液体被封闭在U形空腔内而不与环境接触。但是，随着时间的推移，可能发生通过空腔壁的扩散，因为，叶片的寿命约为20年。因此，在这期间，液体的量会发生变化。这就是上述减振装置的主要缺点，因为其减振效果变差了。

本发明的简要说明

本发明的目的是改进上述的减振器以使其减振效果不那么强烈地依赖于U形空腔内的液体量。

按照本发明，大致为U形的空腔的两个支管沿离开叶尖的方向逐渐变细。因此，减振器对于液体的量不大敏感，就是说，与公知的液体减振器相比，其减振效果不完全取决于液体量的变化(而在公知减振器中，U形空腔的支管分别具有均匀的横截面。其理由在下面说明。

如上所述，上述减振系统是一种双质量系统，其中，可移动的质量包括叶片的质量和U形空腔内彼此相对移动的液体的质量。为了获得有效的减振，液体的自然频率应大致相当于叶片的沿前、后缘方向振动的自然频率。采用横截面均匀的U形空腔可保证液体的自然频率不取决于振幅，但以相同的方式取决于液体的量，因为弹跳质量系统取决于振动质量的大小。因此，在采用横截面均匀的U形空腔的情况下，当液体的量减少时液体的自然频率减小。采用带有向上变细的分支的U形空腔时，在窄小区内液柱长度的增加比具有均匀截面区的管内更快。因此，在液体上的压力也增加。从而使液体流动缓慢，并比完全是柱形空腔的情况更快地进入沿相反方向的运动。液体减振器的自然频率随液体的振幅而增加，因为液体更高地移入带锥度的区域，从而形成两个液柱之间水平面的更大差异。

U形空腔的两个分支的一个有利的实施例可保证液体的自然频率在一个宽的液体量范围内大致恒定，就是说，该自然频率不会强烈地取决于U形空腔内的液体量。换句话说，在增加液体量时液体的自然频的降低(由于质量增大)被液体升高到U形空腔分支的窄小区所造成的频率的提高所抵消了。

按照一个实施例，上述的空腔可具有一个大致为U形的下区段和两个与该下区段连通的截头锥形上区段。因此得到了从一个横截面积向另一个横截面积的圆滑过渡，并在一个宽的液体量的范围内具有十分相近的减振效果。

按照一个实施例，上述截头锥形上区段的长度至少为U形空腔总长度的一半。业已发现上述尺寸提供了对液体量之敏感性的特别平衡的均匀性，因此在一个宽的液体量的范围内具有相同的减振效果。

按照一个优选实施例，上述截头锥形上区段的容积至少为U形空腔总容积的40％，在实践中已证实这积容积特别有利。

截头锥形上区段之上端的横截面积对下端的横截面积之比可以是1.67～3.33，优选值为2.00～2.86，最好为2.20～2.30。

按照一个有利的实施例，U形下区段的容积可以约为3～8升，最好约为5～7升。

在一个特别有利的实施例中，截头锥形上区段的两个上端通过一个空腔彼此连通，从而防止由封闭在每个分支的液柱上方的空气造成的气体弹跳效应。

按照一个实施例，上述减振器可以是一个安装在风力涡轮叶片内的独立的管体。

上述的管体最好采用旋转模压工艺用塑料制成。

按照一个实施例，上述两个分支向外倾斜。因此，可以以一个一个叠置的方式设置多个独立的减振器，这个特征对于在叶片沿其前、后缘方向的自然频率偏离额定频率而变化的情况下获得有效减振是特别有利的。每个减振器的自然频率可由下式导出：

f = \frac{1}{2 π} \cdot \sqrt{\frac{2 α}{L}}

式中a为加速效应，L为液柱(从表面至表面)的长度。

每个减振器的位置距风力涡轮轮毂的距离不同，因此彼此的自然频率是不同的。

在U形空腔中的液体可以是盐水，也可以含有乙二醇(最好是甘醇)，加入量应能使液体的凝固点低于-30℃。

附图简述

下面参考由附图示出的各种实施例更详细地说明本发明，附图中，

图1是减振器的一个实施例的侧视图；

图2是安装在风力涡轮叶片尖部的减振器的侧视图；

图3是按照另一个实施例的安装在风力涡轮叶片的尖部的3个减振器的侧视图；和

图4～10示出在不同的沿叶片前、后缘方向的振动的振幅下以对数减量表示的减振值与液体量的关系曲线。

实现本发明的最佳模式

图1所示的减振器1具有一个大致为U形的部分地盛装了一种液体的管体，在该减振器的靠近叶片的底部有一个短的沿水平方向延伸的圆形区段5，该区段的两端与一个四分之一圆区段4相连接，该区段4又与垂直延伸的圆柱区段3相连接。每个区段3的上部通到一个垂直延伸的截头锥形区段2内。整个U形管2、3、4、5部分地盛装一种液体，图中的标号10表示出上述的液面。当叶片沿双向箭头P的方向振动/摆动时，U形管内的液体10也以与这种振动/摆动相同的速率移动，因此交替地在U形管的右支管和左支管内向上移动。

图2简单示出上述U形管减振器如何安装在风力涡轮叶片6的自由端(仅部分地可看到)。在U形管的上端，由通道7将其两支管互相连接，以防止封闭在每个支管的液柱上方的空气引起的弹跳效应。双向箭头P标明叶片的沿前-后缘方向振动的振动方向，从而也标明减振器的振动方向。

图3是类似于图2所示的叶片6的尖部的视图。但是，按本发明的另一个实施例该叶片尖部装有3个减振器1，每个减振器1与图1或2所示的减振器相当，但其U形管的两个支管是向上倾斜的。因此，几个减振器可以一个接一个地叠放在一起。在本实施例中，每个减振器1的横向空腔7的延伸允许另外的减振器1设置在其U形管的支管之间。每个减振器至转子轮毂的距离与其他的减振器的不同，因此，各减振器的自然振动频率也不同。于是，可在风力涡轮叶片的较宽的振动频率范围内获得有效的减振。这在叶片的沿前后缘方向振动的自然频率可随叶片制造容差、工作温度、转速和寿命而变化的情况下是特别有利的。

图4～10示出以对数减量表示的减振值与U形管中液体量的关系的计算机模拟曲线。

叶片振幅的对数减量δ由下列计算：

δ＝l_n(α_n/α_n+1)式中α_n表示第一次摆动的振幅，α_n+1为随后一次摆动的振幅。

下列参数用于计算机模拟：

两个分支之间的距离 0.5m

四分之一圆区段4的弯曲半径 0.2m

垂直延伸的圆柱区段3的长度 0.3m

截头锥形区段2的长度 0.7m

水平区段5、四分之一圆区段4和

垂直延伸的圆区段3的横截面积 0.005m²

液体的密度 1067kg/m³

叶片的等效振动质量 365kg

叶片的长度 23.1m

叶片的转动速度 22.5转/分钟

叶片固有的减振值 0

叶片的沿前后缘方向的自然频率 2.22Hz

图4示出在普通的区段2为圆形管(即横截面均匀)的减振器中以对数减量表示的减振值与液体量(以升为单位)的关系曲线，其中曲线A是叶片振幅为5cm的曲线，曲线B、C和D分别是叶片振幅为10cm、15cm和20cm的曲线。如图所示，当U形管中盛装大约6.7升的液体时，可得到最大的减振值。从图中也可看出，不管振幅大小如何，6.7升都是最合适的液体量。但是，当振幅最小时，减振值最大。在液体量约为5.2升而减振值为-1(如曲线A所示)时，这并不表示减振值为负值，而仅仅是所用计算机软件给出的数值-1，这时它不能计算出减振值。对振动振幅为5cm的曲线A的研究表明，减振值从6.7升时的13％左右分别在约6.3升和7.2升时减小至5％左右，这就意味着，在液体量为6.7±0.5升时至少获得5％的减振值。

图5～10的曲线与图4所示曲线相当，但是，所用的U形管具有带不同锥度的截头锥形区段。

下表示出用于每种模拟计算的截头锥形区段2上端的横截面积：

图号	图5	图6	图7	图8	图9	图10
图号	图5	图6	图7	图8	图9	图10	面积，m²	0.003	0.0025	0.00225	0.00175	0.0015	0.00125

图5表明：在液体量为7升左右时叶片振幅为5cm得到最大减振值(曲线A)，液体量为7.5升时振幅为10cm得到减振值(曲线B)，液体量约为7.5升时振幅为15cm得到最大减振值(曲线C)，液体量约为8升时振幅为20cm得到最大减振值(曲线D)。图5的模拟曲线的较窄范围表明，最合适的液体量随叶片的振幅而变化。

在示出其上区段2比图5所示上区段稍带锥度的减振器的减振性能的图6中，可看出一种有趣的现象。示出叶片振幅为5cm的减振值的曲线A与图5所示的曲线A没有明显差别。但是，其他振幅为10、15和20cm的减振曲线有显著变化。这些曲线较为平坦，故表明：在较宽范围的液体量值下都可得到高的减振值。

在截头锥形区段2上端的横截面积为0.00225m²的图7中，上述的现象更为明显，振幅为5cm(曲线A)的也一样。因此，很显然，在液体量的总的范围7～10升内均可得到高效的减振。

在图8的模拟曲线中，截头锥形区段2的锥度比图7更大，从图中可看出，每条不同振幅的曲线皆存在两个最大值之间的最小值。如果截头锥形区段的锥度再大一些(如图10所示)，这种趋势更明显。尤其是在图10所示的曲线表明，在液体量约为10.5升时，所有减振值实际上为零。

从图5～10可明显看出，采用尺寸合适的截头锥形区段2可以在较宽的液体量值的范围内获得高效的减振。

作为一个基础，业已证实，对于叶片长度约为25.5m且其沿前、后缘方向振动的额定自然频率约为2.22Hz的转子叶片来说，能盛装在停机状态下的液柱长度约为1.4m的液体的U形减振器是最好的。

业已发现，对于长度约60m且其沿前-后缘方向振动的自然频率约1Hz的转子叶片，其减振器的液柱长度约为3.3m是合适的。

同理，长度约为75m且其沿前-后缘方向振动的自然频率约为0.5Hz的转子叶片，液柱长度约为5m是合适的。

液体的粘度也影响减振性能。已根据带有倾斜支管而其底部没有水平区段的减振器的下列参数进行模拟。

两个支管之间的夹角 5°

U形区的半径 0.0155m

截头锥形区段的长度 0.2m

管的横截面积 0.01m²

沿管的中心线从U形底部至截头

锥形区段中点的距离 1.00m

液体密度 1067kg/m³

叶片长度 23.51m

叶片的转动速度 22.5转/分钟

叶片的固有减振值 0

叶片的沿前-后缘方向振动的自然频率 2.22Hz

叶片振幅 20cm

减振器高度 1.31m

减振器的液体水与乙二醇按1∶1

比例的混合物

上述模拟试验是在20℃和-28℃下进行(在20℃，液体的粘度较低，就是说液体较稀，在-28℃液体的粘度较高，就是说液体较稠)。

	稀的液体量，升(20℃)	稠的液体量，升(-28℃)
	稀的液体量，升(20℃)	稠的液体量，升(-28℃)	至少4％对数减量至少2％对数减量至少1％对数减量	14.5～1914～＞2113.5～＞21	14～1811～＞215～＞21

虽然从上表不能直接看出来，但是，当采用稀的液体时，可得到约6％对数减量的最大减振值，而当采用稠的液体时，其最大减值的对数减量约为5.25％。如上表所示，采用稠的液体时，减振值范围较宽，因此采用5～21升的稠液体量，可得到对数减量至少1％的减振值。而采用稀的液体，液体量就要超过13.5升。

上述模拟所用的液体是水和乙二醇按1∶1比例的混合物，由于采用较粘稠的液体更有利，故可选用一些类型的油或类似液体。

本发明不限于上述实施例。例如，可省去水平区段5，还可省去垂直延伸的圆区段3。另外，截头锥形区段2的上端可与横截面与其相当的垂直延伸圆区段3相连接。

也可以使U形管的尺寸突然变化。例如，将横截面均匀的U形区段在一个突变的过渡点处变成较细的管。在这种情况下就不用截头锥形区段。

Claims

1.带有内装减振器(1)的风力涡轮转子叶片(6)，上述减振器(1)包括一个大致为U形的盛装有液体(10)的空腔，该空腔的底部(5)面对着叶片尖部，其特征在于，上述的大致为U形的空腔的两个分支(2)沿离开叶片尖部的方向逐渐变细。

2.根据权利要求1的风力涡轮转子叶片(6)，其特征在于，上述空腔具有一个大致为U形的下区段(3，4，5)和两个与上述下区段相连通的截头锥形的上区段(2)。

3.根据权利要求2的带有内装减振器(1)的风力涡轮转子叶片(6)，其特征在于，上述的截头锥形上区段的长度至少构成该空腔总长度的一半。

4.根据权利要求2或3的带有内装减振器(1)的风力涡轮转子叶片(6)，其特征在于，上述的截头锥形上区段(2)的容积至少构成该空腔总容积的约40％。

5.根据权利要求2～4中的一项的带有内装减振器(1)的风力涡轮转子叶片(6)，其特征在于，上述的截头锥形上区段(2)上端的横截面积对其下端的横截面积之比为1.67～3.33，优选值为2.00～2.86，最佳值为2.20～2.30。

6.根据权利要求2～5中的一项的带有内装减振器(1)的风力涡轮转子叶片(6)，其特征在于，上述的U形管下区段(3，4，5)的容积的为3～8升，最好约为5～7升。

7.根据上述权利要求中的一项的带有内装减振器(1)的风力涡轮转子叶片(6)，其特征在于，上述的截头锥形上区段(2)的上端通过空腔(7)互相连通。

8.根据上述权利要求之一的带有内装减振器(1)的风力涡轮转子叶片(6)，其特征在于，上述的减振器是一种安装在风力涡轮叶片内的独立的管体。

9.根据权利要求8的带有内装减振器(1)的风力涡轮转子叶片(6)，其特征在于，上述的管体最好用旋转模制工艺由塑料制成。

10.根据上述权利要求之一的带有内装减振器(1)的风力涡轮转子叶片(6)，其特征在于，上述U形空腔的两个分支是向外倾斜的。